[发明专利]双向场效应晶体管和矩阵转换器

说明书

技术领域

本发明涉及可以控制电流双向流动的双向场效应晶体管和利用该晶体管的矩阵转换器。

背景技术

图7a是示出常规的矩阵转换器的实例的电路图。图7b至7d是开关器件的电路图。矩阵转换器CV具有将具有一频率的AC(交变电流)功率转换到具有不同频率的另一AC功率的功能。

三相AC电源PS通过三条线R、S和T提供具有频率Fa的三相AC功率。三相AC电动机M通过具有另一频率Fb的另一三相AC功率驱动，该三相AC功率是通过三条线U、V和W提供的。

矩阵转换器CV包括输入线R、S和T，输出线U、V和W，和九个开关器件SW，它们以矩阵形式布置在各条线R、S和T和各条线U、V和W之间，用于控制共有线之间的开和关。通过可以用所希望的时序操作PWM(脉宽调节)的控制电路(未示出)驱动每个开关器件SW。

由于每个开关器件SW都必须打开和关闭正反向流动的AC电流，所以一般的功率晶体管不能执行该操作。因此，需要电路布置的某些灵活性。

在常规的矩阵转换器中，如图7c所示，具有IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件Q1和二极管器件D1的第一串联电路与具有IGBT器件Q2和二极管器件D2的第二串联电路彼此反平行连接，以组成单开关器件SW。由于IGBT器件可以仅控制单向电流，所以这种反平行连接可以控制双向电流。另外，IGBT器件具有低的反闭锁电压，因此，可以通过利用串联连接的二极管器件提高反闭锁电压。

然而，在上述的电路中，需要四个功率器件来构成单开关器件SW。在图7a所示的三相到三相转换的情况下，需要三十六个功率器件来构成九个开关器件SW。而且，每个功率器件都必须具有大额定的电压和电流，由此导致更大规模的电路和用于散逸大量热的更大的冷却机构。

为了解决这些问题，如图7d所示，已在以下的非专利文献1中提出了RB(反闭锁)-IGBT器件。

[非专利文献1]Proceedings of 2004 International Symposium onPower Semiconductor Devices & ICs，Kitakyushu，第121-124页。

发明内容

[本发明要解决的问题]

RB-IGBT器件，其与上面形成了IGBT器件的半导体衬底一侧上的二极管区域集成，在电路方面与具有如图7c所示的IGBT器件和二极管器件的串联电路等效。

然而，即使在利用RB-IGBT器件的情况下，两个RB-IGBT器件必须彼此反平行地连接以控制双向电流。因此，需要两个功率器件来构成单开关器件SW，导致更大规模的电路和更大的冷却机构。

本发明的目的是提供一种双向场效应晶体管，其可以借助单一器件控制双向流动的电流。

另外，本发明的另一目的是提供一种通过利用双向场效应晶体管的具有更小尺寸和更大容量的矩阵转换器。

[解决问题的手段]

为了实现该目的，根据本发明的双向场效应晶体管，包括：

半导体衬底；

栅极区域，其形成在该半导体衬底上，该区域包括平行于衬底主表面的沟道和用于控制沟道导电性的栅电极；

第一区域，其提供在沟道的第一侧上；和

第二区域，其提供在沟道的第二侧上；

其中通过施加到栅电极的栅电压控制从第一区域经过沟道流到第二区域的第一电流和从第二区域经过沟道流到第一区域的第二电流。

在本发明中优选该栅极区域设置在第一区域和第二区域的中心。

而且，在本发明中优选栅电极和存在于第一区域中的第一电极之间的间隔基本等于栅电极和存在于第二区域中的第二电极之间的另一间隔。

此外，在本发明中优选栅极区域的沟道和存在于第一区域中的第一接触层之间的间隔基本等于栅极区域的沟道和存在于第二区域中的第二接触层之间的另一间隔。

而且，在本发明中优选该晶体管是其中栅极区域包括p-n结的结型。

而且，在本发明中优选该晶体管是其中栅极区域包括金属层、绝缘层和半导体层的MIS(金属-绝缘体-半导体)型。

而且，在本发明中优选该晶体管是其中栅极区域包括金属和半导体的肖特基结的MES(金属-半导体)型。

而且，在本发明中优选半导体衬底由SiC形成。

根据本发明的一种矩阵转换器，包括：

多条输入线，具有第一频率的交变电流在其中流动；

多条输出线，具有第二频率的交变电流其中流动；

多个开关器件，用于控制各输入线和各输出线之间的开和关；